Joseph Norman
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La nostra realtà fondamentale è continua o è frammentata in piccoli frammenti discreti?
Chiesto in un altro modo, lo spazio-tempo è fluido o grosso? La domanda va al cuore delle teorie più fondamentali della fisica, collegando insieme il modo in cui spazio e tempo si intersecano con il materiale della nostra esistenza quotidiana.
Tuttavia, testare sperimentalmente la natura dello spazio e del tempo è stato impossibile, a causa delle energie estreme necessarie per sondare scale così piccole nell'universo. Cioè - fino ad ora. Un team di astronomi ha proposto un nuovo ambizioso piano per utilizzare una flotta di minuscole astronavi per rilevare sottili cambiamenti nella velocità della luce, un segno distintivo di alcune delle teorie più sconvolgenti del cosmo. Se lo spazio e il tempo sono davvero suddivisi in piccoli pezzi, la ricerca potrebbe aprire la strada a una comprensione completamente nuova della realtà.
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Grosso vs liscio
La domanda "cosa sono lo spazio e il tempo?" risale a migliaia di anni fa e la nostra comprensione moderna si basa su due pilastri stranamente incompatibili: la meccanica quantistica e la teoria della relatività generale di Einstein.
Nella relatività generale, lo spazio e il tempo sono intrecciati nel tessuto unificato di spazio tempo, lo stadio quadridimensionale che è alla base del nostro universo. Questo spazio-tempo è continuo, il che significa che non ci sono spazi vuoti da nessuna parte; è tutto una consistenza liscia. Tuttavia, lo spazio-tempo non è solo una piattaforma per recitare le nostre parti; è anche un giocatore: la flessione e la deformazione dello spazio-tempo ci danno la nostra esperienza di gravità.
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Nell'angolo opposto, un insieme di regole chiamate meccanica quantistica governa le interazioni delle cose molto piccole nell'universo. La meccanica quantistica si basa sull'idea che non gran parte della nostra esperienza quotidiana è fluida e continua, ma pesante. In altre parole, è quantizzato. Energia, quantità di moto, spin e tante altre proprietà della materia sono contenute solo in piccoli pacchetti discreti.
Inoltre, anche la meccanica quantistica stessa si divide in due campi. Da un lato, abbiamo le particelle familiari della nostra esistenza quotidiana, come elettroni e protoni, che interagiscono e fanno altre cose interessanti. Questi sono ovviamente molto grossi, poiché sono "cose" discrete. D'altra parte, abbiamo i campi quantistici. Nel mondo subatomico, ogni tipo di particella ha il proprio campo che si diffonde nello spazio-tempo; quando pensiamo alle particelle, pensiamo a piccole vibrazioni nei loro campi, che a loro volta interagiscono con altre particelle e fanno altre cose interessanti. I campi sono comprensibilmente molto lisci.
Pezzi di tempo e spazio
Quindi, abbiamo alcune immagini fluide del nostro universo e alcune grosse. Quando si tratta dello spazio-tempo stesso, possiamo facilmente immaginare di estendere i concetti della meccanica quantistica fino alla loro conclusione logica, e di stabilire che spazio e tempo sono separati: il tessuto stesso della realtà è suddiviso come pixel sullo schermo di un computer e ciò che sperimentiamo come movimento fluido e continuo non è altro che una griglia di pixel discreti alla più piccola scala.
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Molte teorie sulla fusione della meccanica quantistica e della relatività generale, come la teoria delle stringhe e la gravità quantistica a loop, predicono una qualche forma di spazio-tempo discreto (sebbene le previsioni, le interpretazioni e le implicazioni precise di quella chunkiness siano ancora poco conosciute). Se potessimo trovare prove per lo spazio-tempo discreto, non solo riscriverebbe completamente la nostra comprensione della realtà, ma aprirebbe anche la porta a una rivoluzione nella fisica.
Questa discrezione può rivelarsi solo nei modi più sottili; altrimenti lo avremmo già individuato. Diverse teorie hanno previsto che se lo spazio-tempo fosse davvero grosso, la velocità della luce potrebbe non essere del tutto costante - potrebbe cambiare leggermente a seconda dell'energia di quella luce. La luce ad energia più alta ha una lunghezza d'onda più breve e quando la lunghezza d'onda diventa abbastanza piccola, può "vedere" la massa dello spaziotempo. Immagina di camminare sul marciapiede: con i piedi grandi non noti piccole crepe o urti, ma se avessi i piedi microscopici inciamperesti su ogni piccola imperfezione, rallentandoti. Ma questo cambiamento è incredibilmente piccolo; se lo spazio-tempo è discreto, è su una scala più di un miliardo di volte inferiore a quello che possiamo attualmente sondare nei nostri esperimenti più potenti.
Alla ricerca del Graal
accedere GrailQuest: il Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time. Un team di astronomi ha presentato una proposta per questa missione in risposta a una richiesta di nuove idee per la caccia nello spazio-tempo dell'Agenzia spaziale europea (ESA). La loro proposta è dettagliata nel database arXiv, il che significa che non è stata ancora esaminata dai colleghi sul campo.
Ecco lo scoop: per vedere se la velocità della luce cambia con energie diverse, dobbiamo raccogliere un'enorme quantità di luce a più alta energia nell'universo e GrailQuest spera di fare proprio questo.
GrailQuest consiste in una flotta di piccoli e semplici veicoli spaziali (il numero esatto varia, da poche dozzine se i satelliti sono più grandi a oltre qualche migliaio se sono più piccoli) per monitorare costantemente il cielo per i lampi di raggi gamma. Queste sono alcune delle esplosioni più potenti dell'universo. Come suggerisce il nome, queste esplosioni rilasciano abbondanti quantità di fotoni ad alta energia, noti anche come raggi gamma. Questi raggi gamma attraversano miliardi di anni prima di raggiungere la flotta di veicoli spaziali, che registrano l'energia dei raggi gamma e le differenze nei tempi mentre lo scoppio si riversa sulla flotta.
Con sufficiente precisione, GrailQuest potrebbe essere in grado di rivelare se lo spazio-tempo è discreto. Almeno, ha la giusta configurazione: sta esaminando la luce a più alta energia (che è maggiormente influenzata dalle teorie che prevedono che lo spazio-tempo è grosso); i raggi gamma hanno viaggiato per miliardi di anni luce (permettendo all'effetto di accumularsi nel tempo); e le navicelle spaziali sono abbastanza semplici da produrre in massa (così l'intera flotta può vedere quanti più eventi possibile, in tutto il cielo).
Come cambierebbero le nostre concezioni della realtà se GrailQuest trovasse prove della discrezione dello spazio-tempo? È impossibile dirlo: le nostre attuali teorie sono ovunque quando si tratta di implicazioni. Ma non importa cosa, dovremo aspettare. Questo ciclo di proposte dell'ESA è previsto per il lancio tra il 2035 e il 2050. Mentre aspettiamo, possiamo discutere se il tempo trascorso da qui a allora è fondamentalmente fluido o pesante.
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Paul M. Sutter è un astrofisico presso La Ohio State University, ospite di Chiedi a un astronauta e Radio spaziale, e autore di Il tuo posto nell'universo.
Pubblicato originariamente su .
